發布日期：2022-04-17 點擊率：56
本文旨在幫助電路設計者和元器件工程師提高對薄膜技術的理解。本文將介紹薄膜技術的使用及其在可靠性、尺寸和性能方面的顯著優勢。
圖 1：Vishay 可提供薄膜技術。（圖片來源：Vishay）
通常情況下，濺射薄膜厚度大約 500 埃。采用線寬和線間距不同的各種掩膜制造出一系列電阻值。片材的電阻率也可在每平方 50 Ω 到每平方 2000 Ω 之間變化。每種薄膜都有特定的用途。一般來說，片材的電阻率越低，其整體電氣性能就越好。Vishay 是所有類型薄膜產品領域的唯一供應商和制造商。
鎳鉻 (NiCr)——最受歡迎的薄膜在絕對 TCR 方面具有最好的電氣規格。常見的片材電阻率為每平方 50、100 和 200 Ω。
Tamelox——Vishay 薄膜采用的專有合金；結合了鎳鉻和氮化鉭的優點，提高了 TCR 的線性度。
氮化鉭 (TaN2)——當沉積和加工方法正確時，會產生一種不受潮的合金。電氣性能不如鎳鉻合金。用于電阻器功耗低 (<20%)、無自熱且相對濕度高 (80%) 的應用中。
硅鉻 (SiCr)——這種材料具有非常高的片材電阻率 (2000 - 3000)，用于在小面積內產生高電阻。諸如絕對 TCR 跟蹤，長期穩定性以及電壓系數等電氣規格均優于厚膜技術。
鈍化——SPM（特殊鈍化方法）現可在惡劣的環境條件下增強鈍化控制（參考 SPM 技術說明）。
集成電路是一組元件。這組元件在一個共同基底上形成并互連，從而形成一個功能性網絡。集成電阻網絡同樣被定義為在共同基底上形成并互連的阻性元件組合。如同在半導體制造中，通過在基底上沉積或與基底反應形成元件，利用光刻成像產生圖案，然后有選擇地去除不需要的材料。對于給定網絡中的電阻，由于各個電阻相當小且彼此接近，在加工過程中暴露在幾乎相同的條件下。同樣，晶圓或基底上的每個網絡都暴露在幾乎相同的條件下。由于幾個晶圓在同一時間、同一設備中一起加工，使得整個批次中的幾百或幾千個獨立單元實現了均勻性。集成結構的另一個優勢在于互連完整性，其本身就比分立元件之間的單獨連接更可靠。
圖 2：說明薄膜集成結構的高純度氧化鋁晶圓。（圖片來源：Vishay）
網絡中所有元件具有極高的匹配度，確保了在溫度和整個生命周期可以內密切跟蹤
非常小的高密度、多元件網絡可以節省印刷電路板空間
在各種標準的當代格式中，密封結構是一種實用結構
部件與部件之間和批次與批次之間具有一致的可重復特性
超低電感
出色的可靠性——幾乎沒有單獨互連
無熱電效應
安裝成本低于分立式器件——通常會更低
軍方和其他機構的可靠性研究表明，在所有其他條件都相同的情況下，組件的可靠性與 “人為互連”的數量成正比。這就是為什么集成電路比分立晶體管的組裝更可靠，同樣也適用于集成電阻網絡和分立器件之間的對比。這種特性有時被稱為“固有可靠性”。
薄膜技術采用了光刻精密圖案，讓設計者能在盡可能小的面積上獲得廣泛的電阻值。這樣就多了一種選擇，即在同一空間內盡量縮小元件尺寸或增加阻性元件的數量。在給定面積內可實現的總電阻主要是由薄膜材料的片狀電阻和圖案決定的。然而在實際設計中，由于端接焊盤、內部導體、特定修調功能和引腳布局限制需要一定的空間，因此最大利用面積會減少。
薄膜電阻材料涵蓋的正常片狀電阻范圍為 50 至 2000 歐姆/平方，這使得單個電阻器的可用電阻范圍為從幾歐姆到幾兆歐姆。最高的精度通常是在 250 歐姆到 100 千歐姆之間。
圖 3：電阻范圍主要由晶圓片上的幾何圖案決定。（圖片來源：Vishay）
當低電阻元件被納入精密網絡時，必須考慮芯片上和封裝中的引線和導電圖案的電阻，這種電阻雖然小，但不可避免。通過適當的設計、加工、包裝選擇和裝配，可使這些引線效應最小化，但不能完全消除。然而，在制定規格時必須特別注意，尤其涉及到電阻和跟蹤的實際公差，以及它們的測量方法時。
圖 4：內部引線電阻會對總電阻值產生很大影響。（圖片來源：Vishay）
現代激光系統能夠在絕對或相對基礎上將電阻的緊公差調整至非常接近：分別為 0.01% 和 0.005%。此外，負責任的制造商實際上會在修調時實施“間距保護 (guard band)”，以使內部規格會比發布規格更嚴格。
要求的公差越嚴格，就必須更仔細地設計電阻，以實現充分滿足公差限值范圍要求的緊密分布，并具有成本效益的修調速度。實現這一目標的方法之一是提供特殊的修調幾何形狀。這些特點降低了電阻對用激光除去的材料數量的敏感度，從而可以連續獲得更高的精度水平。這些功能利用了額外的基底面積，這有時需要在成本和性能之間進行權衡。讓精密網絡中使用的現代薄膜技術獨樹一幟的特點之一就是其電氣和機械穩定性。這點很重要，因為經過緊密修調的電阻有時必須耐受存在應力的裝配條件而不發生明顯的漂移。這再次強調了集成結構相對于單個分立電阻的固有優勢，因為發生的任何變化都將是網絡中所有電阻所共有的，從而準確地保持了修調前后的比率。
圖 5：更嚴格的公差會使得可用面積增加。（圖片來源：Vishay）
電阻溫度系數作為環境溫度的函數來測量電阻值的變化。該系數被定義為每單位溫度變化的單位電阻變化，通常表示為每百萬分之一攝氏度 (ppm/℃)。該系數是電阻最常被描述或區分的特性。歷史上，包括那些由薄膜制成的電阻器在內的分立電阻器是根據 TCR 值按批次分級的。相對而言，最近使用濺射沉積技術來控制薄膜成分以及加工過程中的相關改進，已經產生了所謂的“第三代”薄膜產品，其 TCR 值始終低于 10ppm/°C（絕對值）。
圖 6：電阻溫度系數用來測量電阻隨溫度升高或降低而變化的速率。（圖片來源：Vishay）
TCR 通常是通過實驗來確定，在幾個溫度下測量電阻，并計算在適當的溫度區間內的變化率，例如 +25℃ 至 +125℃。如果電阻隨溫度發生線性變化，則 TCR 是一個常數，與溫度區間無關。但是，當這一變化非線性關系時，如常用的鎳/鉻合金，其 TCR 表示為連接電阻與溫度曲線上兩點的直線斜率，例如 +25°C 和 +125°C。換句話說，該系數是該區間內的平均 TCR。非線性化越嚴重，平均數的近似度就越差。
在規定 TCR 時，絕對關鍵的是規定的溫度間隔必須明確。
MIL-STD-202 的 304 方法中概述的程序經常作為測量 TCR 的參考標準。在這種方法中，對 +25°C 和 -55°C 之間以及 +25°C 和 +125°C 之間的一系列溫度間隔計算平均 TCR。將其中的最高值記為 TCR。這反映了全部的軍規工作范圍，但它可能會導致具有不同或更窄工作溫度區間的組件出現超規格的情況。
圖 7：不同斜率的 TCR 示例。（圖片來源：Vishay）
通過了解合金成分的影響以及精心控制工藝的能力，就有可能“定制”電阻溫度曲線，以產生 TCR：a) 在整個范圍內為負，b) 在整個范圍內為正，或 c) 在低端為負，高端為正，且在大致室溫的范圍內有一個相對平坦的“0 TCR”區。對于在室溫附近運行的設備或其他需要溫度補償的設備，這是一個優勢。
采用精密薄膜網絡的大多數應用取決于實現和保持相對接近的電阻值。因此，被稱作“跟蹤”的網絡內電阻的相對變化是至關重要的。薄膜網絡在跟蹤方面表現出色。跟蹤包括幾個不同的方面，我們必須理解和區分它們，這點很重要。
TCR 跟蹤— TCR 跟蹤被定義為一對電阻的 TCR 在給定溫度區間內的差異。在分立電阻中實現接近的 TCR 跟蹤是很困難的，而且為了達到非常接近的絕對 TCR 極限值而進行接近 TCR 跟蹤會對制造工藝造成嚴重的負擔。相比之下，薄膜網絡的集成結構能夠保證極其密切的 TCR 跟蹤，因為這些電阻是在幾乎相同的工藝條件下作為一個整體生產的。此外，這些電阻不僅體積很小，而且在具有高導熱率的共同基底表面上相距很近，這使得其在工作期間保持相同或接近的溫度。
然而，工藝和材料可能會發生變化，從而使得同一晶圓上相鄰電阻的 TCR 產生微小但可測量的差異。造成該影響的可變工藝因素可能包括非均勻薄膜沉積、基底缺陷、退火期間熱不均勻和非均勻應力。設計也是一個影響因素。然而，通過采用最先進的工藝控制、測量設備和技術，在適當的電路和芯片配置以及封裝條件下，TCR 跟蹤可以控制在每度百萬分之一的十分之幾以內。
導致表觀 TCR 跟蹤高于“真實”跟蹤的一個原因是，存在一個具有可測量的電阻 (r) 的公共抽頭引線。
其中 TCR (r) 是普通引線材料的 TCR，通常是金屬。例如：通過一個 TCR 為 8.9ppm/°C 的 1 千歐姆電阻與一個 TCR 為 8.5ppm/°C 的 2 千歐姆電阻和一個 TCR (r) 為 4000ppm/°C 的 0.1 歐姆公用輸出引線相連接，來展示 TCR 跟蹤。
如果臨界比率是根據電壓劃分而不是電阻比率來指定和測量的，那么引線導線的額外貢獻值（上述情況為 0.2）就會消失。
圖 8：廣義和狹義電阻的跟蹤分布示例。（圖片來源：Vishay）
圖 9：跟蹤集成網絡與分立電阻的經驗法則。（圖片來源：Vishay）
有些電路的工作模式是電流在一個電阻中切斷和接通，該電阻與一個承載恒定電流的參考電阻相匹配。在這種情況下，即使電阻可能具有相同的 TCR 并且基底可能處于統一的環境溫度下，但由于自發熱現象其電阻值會有所不同。（嚴格地說，這不是一個真正的“跟蹤”要求，因為所討論的電阻會受到不同的應力影響）。這種差異將由兩個電阻的絕對 TCR 來決定。在這些并不罕見的應用中，電阻器在工作溫度區域內應具有盡可能低的絕對 TCR，而且電阻器應盡可能設計在一起，以減少它們之間的溫差。
圖 10：匹配電阻中的不平等發電示例。（圖片來源：Vishay）
電阻經常被用作分壓器。在這種情況下，如果涉及到精確公差，則使用電壓比來處理比使用電阻比更合適。與電阻比相比，需要了解電壓比的三個重要方面。這三個方面是電壓比本身、電壓比公差和電壓比的跟蹤。
圖 11：電壓比與公共引線電阻無關。（圖片來源：Vishay）
理想情況下，一對電阻上的電壓降是由電阻值的比率決定的：R1/(R1 + R2)。當電阻值不相等時，電壓比會與按照表觀（測量）電阻值計算出來的電壓比存在一定的差異，這個差異由公共引線的電阻決定。這種偏差可能相當大，對于低值電阻來說尤其如此。
當一個 10 千歐電阻和一個 1 千歐電阻串聯時，會共用一根“抽頭”引線，電阻為 100 毫歐，兩個比率將相差 75ppm；
當一個 1 千歐的電阻與一個 100 歐的電阻串聯時，一個 100 毫歐的抽頭電阻將產生超過 800ppm 的比率差異。
這表明規定適當運行參數的重要性。
圖 12：電壓比公差和電壓比跟蹤等式。（圖片來源：Vishay）
然而，當公共導線電阻 (r) 可測時，表觀 TCR 跟蹤要高于“真實”的跟蹤，如上所示，電壓比跟蹤要小。電壓比跟蹤總是小于（優于） TCR 跟蹤。
前面幾部分描述的影響是可逆的：這些變化非永久性，當溫度恢復到起點時，這些變化就會消失。然而，也有不可逆的影響。正如上文所討論的，大多數精密電阻網絡是以其比率模式使用的。這些電阻已修調至緊公差并經過精心設計，可以在這些嚴格的初始公差范圍內針對電阻或者電壓比進行跟蹤。但這毫無意義，除非這些公差能在電阻網絡的整個生命周期內得以保留。這需要盡可能高的薄膜穩定性。值得注意的是，材料和工藝方面的最新發展已使得薄膜穩定性提高到前所未有的水平，已接近以前只能用金屬箔獲得的效果。
對鎳/鉻合金進行的廣泛的長期穩定性測試已明確表明，電阻隨時間的變化率是基底溫度的單值函數。這是一種說明溫度是唯一變量的數學方法——無論它是由功率負載引起，還是僅僅由環境造成。而且，已通過實驗判定，根據經典動力學方程可以有把握地推斷出，在較低溫度和較長時間條件下也具有較高溫度下測得的穩定性。
將一對匹配電阻的永久變化視為“穩定性跟蹤”是很有用的。與 TCR 跟蹤相比，密切跟蹤與絕對 TCR 無關，穩定性跟蹤則在一定程度上取決于絕對穩定性。一對電阻越穩定，它們在絕對值和相互關系方面的變化就越小。在這里，集成結構的優勢再次凸顯：電阻網絡中的所有電阻在使用期間往往有類似的變化，電阻率的變化遠遠小于絕對值。
圖 13：部件年限會穩定性。（圖片來源：Vishay）
由于薄膜精密網絡一般不用于高功率應用，因此建立最高額定功率的方法不像通用網絡那樣關鍵。然而，必須設定限值，而這種設置最好通過設定溫度上限值來實現。
零功率溫度（有時稱為最高工作溫度）是指零件在規定時間內（通常為 1000 小時）運行而不發生過度變化的最高溫度（定義時通常涉及初始公差），以百分比表示。對于需要保持 0.1% 容差的薄膜網絡，零功率溫度將是 +150°C。在該溫度下，電阻可能表現出 500ppm 絕對值或 100ppm 相對于網絡中其他電阻的變化。如果要求的最大初始公差是 0.01%，那么更合適的零功率溫度是 +125℃。這種水平適用于密封性好的零件。如果采用非封閉式封裝，會為零件指定較低溫度等級。
圖 14：典型功率降額曲線。（圖片來源：Vishay）
額定功率— 額定功率通常被認為是將零件的表面溫度從某個環境溫度（通常是+70℃）提高到零功率溫度所需的功率。這種功率用“瓦特全功率”表示。使用功率降額曲線來確定中間溫度下的限值。
必須特別考慮網絡內單個電阻的額定值，因為單個電阻的最終表面溫度會因網絡中的其他電阻是否處于供電狀態而有很大差異。雖然很難將其一般化，但適當的網絡設計將通過具有統一功率密度的布局來考慮這些變化。
如上所述，盡管公差更嚴格的精密網絡的功率水平通常設置得較低，但由于芯片尺寸較小，因此功率密度就可以很高。對于非常精密的網絡，典型的設計水平是 25 W/in2，但薄膜能夠維持非常高的功率密度水平——高達 200 W/in2，而不損害其完整性。最后，必須考慮封裝的熱阻差異很大這一事實。
在采用諸如金屬陶瓷或聚合物等復合材料制成的電阻器中，這兩個特性可能是相當嚴重的缺點；但對于薄膜精密網絡來說，這兩種特性一般情況下可以忽略，因為其幅度非常小。這是單晶片式薄膜材料的主要優勢之一。
電阻的電壓系數是指每單位電壓變化的單位電阻變化，用 ppm/V 表示。電阻系數是對非歐姆特性的測量，且在薄膜中，只有在兆歐姆范圍內才達到可識別的水平，這種情況下的測量值約 0.1 ppm/V。
使用 Quantek Company 開發的標準儀器對電流噪聲進行表征和測量。對于薄膜來說，典型數值將小于 -35 dB。
如果電阻的端子處于不同溫度下，就可能會產生熱電電壓。這可能是分立電阻器的一個重要問題，因為在相對較大的尺寸范圍內可能存在熱梯度。在薄膜網絡中，所有電阻的溫度相同或接近，這是由于這些電阻體積小和導熱基底的熱擴散效應的結果。薄膜上的熱電效應通常 < 0.1 μV/℃。
對于頻率大于 100 兆赫的情況，大多數電阻需要考慮帶有寄生電感和寄生電容的等效電路，見圖 15。圖 16 所示為典型的阻抗響應特性。阻抗響應取決于電阻的尺寸、修調方法、零件值和端子樣式。
圖 15：對于頻率超過 100 兆赫的情況，大多數電阻需要考慮具有寄生電感和寄生電容的等效電路。（圖片來源：Vishay）
圖 16：具有特殊邊緣感測修調的 0402 倒裝片式電阻的典型內部阻抗響應。（圖片來源：Vishay）
考慮尺寸對減少寄生阻抗具有重要意義。尺寸越小，零件的性能就越接近理想電阻。修調樣式也很重要。
薄膜電阻可以采用各種幾何設計進行修調，見圖 17。通過保持觸頭焊盤之間以矩形設計為中心（平衡），與如蛇形或 L 形修調等其他樣式相比，可以提升器件的性能。
圖 17：薄膜電阻可以用各種幾何設計進行修調。（圖片來源：Vishay）
MP 系列
MPM 系列
OSOP 系列
VSSR 系列
ORN 系列
NOMC 系列
VSOR 系列
CSO 系列
M55342 系列
PTN 系列
FC 系列
M 系列
TSP 系列
VTF 系列
HD 系列
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 如何使用 SPXO 滿足低
